나노기술 및 정책 정보

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오사카(大阪)대학, 츠쿠바(筑波)대학 등의 공동 연구그룹이 그래핀으로 코팅된 비금속(卑金属) 전극 방식과 촉매 작용을 동시에 성립시키는 메커니즘을 규명함.

물의 전기 분해에 사용되는 백금 전극은 비용과 희소성 측면에서 대안 물질의 개발이 요구되고 있음. 대안 물질로 거론되는 비금속은 값이 저렴하고, 매장량이 풍부하며, 잠재적 촉매 성능도 우수하지만, 산성 조건에서 부식이 불가피해, ‘부식 방지’와 ‘촉매 작용’이라는 상반되는 화학 현상을 양립시키기란 원리적으로 불가능하다고 여겨짐.

부식의 원인이 되는 양성자(산)(H+)가 그래핀 막을 투과하는 현상을 통해, 그래핀(탄소 시트)으로 표면을 코팅한 비금속 촉매가 부식을 억제하면서 수소 발생 촉매로서 작용한다는 사실이 최근 확인됨.

연구진은 이 현상을 다각적으로 검증하고, 부식 방지와 촉매 작용을 모두 만족시키는 메커니즘을 세계 최초로 개발함.

연구진은 탄소 3~5개분 두께의 그래핀 막이 대량의 양성자로부터 비금속을 보호하면서 적당량의 양성자를 투과시켜, 비금속 표면에서 촉매 반응을 일으키고 있음을 확인함. 또한, 본 양성자 투과 현상을 이용한‘물의 전기 분해용 수소 발생 비금속 전극’은 백금 전극에 비해 성능적으로는 다소 떨어지지만, 1/100의 비용으로 제작이 가능하며 250 시간 이상 부식 없이 운용할 수 있음을 실증함.

본 연구 성과는 부식이 일어나기 쉬운 환경에서도 비금속을 사용할 수 있다는 점에서 물의 전기 분해 장치뿐만 아니라, 연료 전지용 전극 및 기타 다양한 백금 대체 용도로 응용될 것으로 기대됨.

본 연구 성과는 Nature Communications (Catalytic Activity of Graphene-Covered Non-Noble Metals Governed by Proton Penetration in Electrochemical Hydrogen Evolution Reaction)에 게재됨.